DE19852081C1 - Kunststoff-Werkstoff aus einem Polymer-Blend und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Ein aus einem Polymer-Blend mit wenigstens einem synthetischen Polymer bestehender Kunststoff-Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, daß er weiterhin wenigstens ein natürliches Polymer auf der Basis von Lignin, insbesondere des bei der Zellstoffgewinnung anfallende Alkali-Lignin enthält. Ein solcher Werkstoff weist hochwertige Eigenschaften auf, ist aufgrund des natürlichen Polymeranteils biologisch abbaubar und weist eine ökologisch weitgehend neutrale CO¶2¶-Bilanz auf. Das Polymer-Blend läßt sich insbesondere dort vorteilhaft einsetzen, wo bisher Holz- oder Holwerkstoffe eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kunststoff-Werkstoff aus einem Polymer-Blend und dessen Verwendung.

Der Einsatz von aus unterschiedlichen Polymeren bestehen­ den Elends, die in der Regel durch Mischen der entspre­ chenden Polymerschmelzen hergestellt werden, sind in der Kunststoffverarbeitung von großer Bedeutung. Durch die Kombination unterschiedlicher Polymere ist es insbesonde­ re möglich, die für die bestimmungsgemäße Verwendung des Kuststoffs jeweils günstigen Eigenschaften der beiden Polymerkomponenten kombinatorisch zu nutzen oder die erwünschten Werkstoffeigenschaften einer Polymerkomponen­ te hervorzuheben, während die unerwünschten Werkstoffei­ genschaften dieser Komponente je nach Mischungsverhältnis bis zu einem gewissen Grad von der anderen Komponente überdeckt werden können. Hierdurch lassen sich Kunst­ stoffwerkstoffe bereitstellen, deren Eigenschaften ge­ zielt auf den jeweiligen technischen Verwendungszweck eingestellt werden können.

Aus synthetischen Polymeren bestehende Kunststoffe werden vielfach zur Herstellung von kurzlebigen Wirtschaftsgü­ tern eingesetzt. Das Recycling insbesondere aufgrund der schwierigen Trennung der verschiedenen Kunststoffe ist mit erheblichen Kosten verbunden. Hieraus und aus der Notwendigkeit, der Schonung der begrenzten Mineralöl-Re­ sourcen, aus denen die Grundstoffe der Kunststoffsynthese gewonnen werden, ergibt sich der Wunsch nach einer Sub­ stition synthetischer durch natürliche Polymere. Dieser Wunsch wird noch dadurch verstärkt, daß bei der häufig einzig verbleibenden Möglichkeit der Abfallbeseitigung, nämlich der Verbrennung synthetischer Kunststoffe erheb­ liche CO₂-Emissionen häufig begleitet von toxischen Emissionen, entstehen. Demgegenüber zeichnen sich Polyme­ re aus nachwachsenden natürlichen Rohstoffen durch eine ökologisch neutrale CO₂-Bilanz aus, da bei Verbren­ nung der natürlichen Polymere der Atmosphäre nicht mehr CO₂ zugeführt wird, als ihr beim Wachstum der Roh­ stoffe entzogen wurde. Desweiteren sind insbesondere biologisch abbaubare bzw. kompostierbare natürliche Polymere von vorrangigem Interesse, da diese im Vergleich mit den meisten synthetischen Polymeren in einem wesent­ lich kürzeren Zeitraum und in der Regel rückstandslos abgebaut werden.

Kunststoffe auf der Grundlage natürlicher Polymere bzw. durch Oxidation, Enzymbehandlung od. dgl. modifizierter natürlicher Polymere, wie Duroplaste aus Casein oder Thermoplaste aus Cellulosenitraten, -acetaten, -estern und -ethern, sind bereits bekannt. Nachteilig bei vielen bekannten natürlichen Kunststoffen ist einerseits deren Hygroskopizität, was durch den Zusatz von Weichmachern noch verstärkt wird. Andererseits werden zu ihrer Her­ stellung hohe Temperaturen von etwa 200°C benötigt, so daß ein vergleichsweise hoher Energiebedarf erforderlich ist. Darüber hinaus sind derartige Kunststoffe häufig nicht geruchsneutral und weisen schlechtere Werkstoffei­ genschaften als synthetische Kunststoffe auf.

Ein natürliches Polymer mit im Vergleich zu anderen Naturpolymeren merklich besseren Werkstoffeigenschaften ist das Lignin, welches sich durch eine vergleichsweise hohe Festigkeit, Steifigkeit, Schlagzähigkeit sowie durch eine hohe Beständigkeit gegenüber UV- Strahlung auszeich­ net. Weiterhin ist Lignin ein geeignetes Dämmittel zur Wärme- und Schallisolierung. Lignin ist ein hochmolekula­ res polyphenolisches Makromolekül, das in verholzenden Pflanzen die Räume zwischen den Zellmembranen ausfüllt und zu Holz werden läßt, wobei ein Mischkörper aus druck­ festem Lignin und zugfester Cellulose entsteht. Je nach Holzart können die Phenylgruppen des Lignins mit bis zu zwei Methoxygruppen und die Propylgruppen mit bis zu zwei Hydroxygruppen substituiert sein.

Lignin fällt in großen Mengen als Nebenprodukt bei der Zellstoffgewinnung an und ist somit in großen Mengen verfügbar. Hierbei entstehen beim Aufschluß des Holzes Ligninsulfonsäuren als Bestandteil der Sulfitablaugen, in denen die Ligninsulfonsäuren als Phenolate ("Alkali-Lig­ nin") gelöst sind. Durch Behandlung mit Schwefelsäure und Kohlendioxid kann die Ligninsäure ausgefällt werden.

Insbesondere Alkali-Lignin aus der Zellstoffindustrie wird bereits als Bindemittel für Preßplatten auf Holz- und Cellulosebasis, als Dispergiermittel oder als Stabi­ lisator von Asphaltemulsionen verwendet.

Aus DE 197 00 902 A1, DE 197 00 903 A1, DE 197 00 905 A1, DE 197 00 907 A1 und DE 197 01 015 A1 ist ein Zwischen­ produkt für die Herstellung von Polymerisaten aus Lignin­ derivaten, wie sie in der Zellstoffindustrie anfallen, bekannt, wobei die Ligninderivate mit phenoloxidierenden Enzymen in Gegenwart von Oxidationsmitteln, wie Sauer­ stoff, umgesetzt werden. Dieses Zwischenprodukt wird als Beschichtungsmittel für die Herstellung wasserfester Papiere und Pappen, als Beschichtungsmittel oder als Bindemittel zur Herstellung von Holzspanplatten, als Bindemittel für Stärke zur Herstellung wasserfester Stärkederivate, als Dämmaterial oder als eine Komponente eines mit pflanzlichen Fasern angereicherten Verbundwerk­ stoffes eingesetzt.

Der EP 0 720 634 B1 ist ein aus Alkali-Lignin und Prote­ inen bzw. Proteinderivaten hergestelltes verrott- und kompostierbares Naturstoffgranulat entnehmbar, welches aus einer stereochemischen Modifikation durch Behandlung mit organischen Säuren, insbesondere Essigsäure, hervor­ geht und thermoplastisch zu Formteilen verarbeitbar ist.

Die DE-OS 15 70 363 beschreibt ein Verfahren zur Herstel­ lung eines insbesondere gelartigen, wasserlöslichen Reaktionsproduktes durch Umsetzen von Lignin mit Poly­ ethylenimin in wäßriger Lösung. Das Reaktionsprodukt eignet sich vornehmlich für folienartige Beschichtungen von Metallen, Glas und Cellulosematerialien, z. B. Papier. Es dient ferner zur Appretur von Textilien sowie als Haftvermittler zum Verbinden verschiedenartiger Ober­ flächen.

Der JP 58-142 837 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Werkstoffs aus einem synthetischen Polymer, z. B. Phenolharz oder Polyethylen, und einem Lignin und/oder Hemicellulose enthaltenden Zellstoff durch Preßformen entnehmbar, indem das Polymer geschmol­ zen und mit dem Zellstoff und den Verstärkungsfasern versetzt wird. Während der Zellstoff bevorzugt aus Holz­ abfällen gewonnen ist, kommen als Verstärkungsfasern insbesondere Hanffasern zum Einsatz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Werkstoff aus einem Polymer-Blend vorzuschlagen, welcher sich durch hervorragende Werkstoffeigenschaften auszeich­ net und eine günstige CO₂-Bilanz aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kunst­ stoff-Werkstoff aus einem Polymer-Blend gelöst, der neben wenigstens einem synthetischen Polymer wenigstens ein natürliches Polymer auf der Basis von Lignin enthält.

Der erfindungsgemäße Kunststoff-Werkstoff kann hierbei gegebenenfalls weitere natürliche Polymere, z. B. Proteine oder Proteinderivate enthalten. Insbesondere ist vorgese­ hen, daß zur Herstellung des Polymer-Blends aufgrund seiner hohen Verfügbarkeit Alkali-Lignin als Pulver, wie es bei der Aufarbeitung von Abwässern aus der Cellulose­ verarbeitung durch Verdampfen enthalten wird, oder z. B. in Alkoholen, wie Glykol, gelöster Form eingesetzt wird, oder es wird ein ligninhaltiges Naturstoffgranulat gemäß der oben zitierten EP 0 720 634 B1 eingesetzt.

Als synthetische Polymerkomponenten kommen annähernd alle bekannten synthetischen Thermoplaste, z. B. Polyethylene, Polypropylene etc. oder thermoplastische Elastomere (Thermoelaste), z. B. Polystyrol, Polybutadien, Isopren etc. in Frage. Die synthetischen Polymere können auch Zusatzstoffe, wie Weichmacher (Phthalate, Adipate, Alkyl­ phosphate od. dgl.), enthalten, so daß selbst harte synthetische Polymere, wie z. B. PVC eingesetzt werden können.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Blends kann auf bekannte Weise im schmelzflüssigen Zustand erfolgen, wobei Temperaturen oberhalb 200°C vermieden werden müs­ sen, um insbesondere die natürlichen Polymere nicht zu schädigen. Nur durch diese Temperaturgrenze wird die Auswahl der synthetischen Polymere beschränkt. Die Her­ stellung kann z. B. mittels Extrudern erfolgen, wobei die Polymerkomponenten entweder aus separaten Dosiersystemen getrennt aufgegeben oder ein synthetisches Polymer vorge­ legt und das Lignin zugesetzt werden kann. Der erfin­ dungsgemäße Kunststoff-Werkstoff zeichnet sich vor allem durch andere Werkstoffeigenschaften gegenüber vielen rein synthetischen Kunststoffen und Kunststoffmischungen, wie auch gegenüber bekannten, natürliche Polymere enthalten­ den Kunststoffen aus. Insbesondere weist der Kunststoff- Werkstoff eine hohe UV-Beständigkeit, eine hohe Festig­ keit, eine hohe Steifigkeit und eine hohe Schlagzähigkeit auf. Während die erhöhte Festigkeit, die erhöhte Schlag­ zähigkeit und die im Vergleich zu reinem Lignin bessere Verarbeitbarkeit durch die jeweilige synthetische Poly­ merkomponente hervorgerufen wird, erhält der Werkstoff seine hohe Steifigkeit, seine wärme- und schallisolieren­ den Eigenschaften und seine hohe UV-Beständigkeit auf­ grund des Ligninanteils, weshalb beispielsweise auf den Zusatz von Antioxidantien weitgehend verzichtet werden kann. Der Ligninanteil verleiht dem Werkstoff weiterhin einen für viele Verwendungszwecke erwünschten holzähnli­ chen Charakter.

In bevorzugter Ausführung beträgt der Ligninanteil des erfindungsgemäßen Kunststoff-Werkstoffs 2 bis 90 Mass.-%, insbesondere 5 bis 65 Mass.-%. Durch Variation des Lig­ ninanteils lassen sich die Werkstoffeigenschaften verän­ dern und an den jeweiligen Verwendungszweck anpassen, wobei die weitgehend ökologisch neutrale CO₂-Bilanz und die biologische Abbaubarkeit bzw. Verrottbarkeit mit steigendem Anteil des natürlicher Polymers zunimmt.

Der Kunststoff-Werkstoff kann weiterhin synthetische Verstärkungsfasern (z. B. Glas-, Polyamid-, Aramid- oder Kohlefasern) sowie natürliche Verstärkungsfasern (z. B. Flachs-, Sisal-, Cellulose-, Holz-, Miscanthus- oder Hanffasern) enthalten, welche dem Werkstoff eine noch höhere Zugfestigkeit verleihen. Aufgrund einer neutralen CO₂-Bilanz ist die Verwendung natürlicher Verstär­ kungsfasern und aufgrund der hohen Zugfestigkeit insbe­ sondere die Verwendung von Hanffasern bevorzugt, welche z. B. während des Mischens der Polymerkomponenten direkt einem Extruder zugesetzt werden können.

Wie bereits erwähnt, ist der erfindungsgemäße Kunst­ stoff-Werkstoff für viele Verwendungszwecke geeignet. Er bietet sich aufgrund seines Eigenschaftsspektrums, seiner Farbe und seiner Konsistenz als Ersatz für Holz- oder Holzwerkstoffe an. Aufgrund der guten wärme- und schall­ dämmenden Eigenschaften des Lignins ist der Kunststoff insbesondere zur Herstellung von konstruktiven Bauteilen, wie Profilen, z. B. für Fenster oder Türrahmen, für Tür­ innenverkleidungen etc. geeignet. Herkömmliche, aus Hart-PVC gefertigte Fensterhohlprofile mit eingesetzten Aluminiumversteifungen stellen insbesondere bei der Entsorgung ein erhebliches Umweltproblem dar, da der aus Metall und Kunststoff bestehende Verbund-Werkstoff nur schwer sortenrein trennbar und somit auch nur schwer recycelbar ist und zudem bei der Verbrennung von PVC toxische Verbindungen, wie polychlorierte Dioxine und Furane, entstehen. Das biologisch abbaubare natürliche Polymer hingegen, stellt selbst bei Verbrennung wegen der neutralen CO₂-Bilanz eine wesentlich geringere Um­ weltbelastung dar.

Aufgrund seines holzähnlichen Charakters eignet sich der erfindungsgemäße Werkstoff weiterhin zur Herstellung von Profilen oder Formteilen für Möbel und aufgrund seiner hohen UV- und Feuchtebeständigkeit, insbesondere für Gartenmöbel. Der Werkstoff kann z. B. auch zur Herstellung von Gehäusen für elektrische oder elektronische Geräte, z. B. Fernseh-, Radiogeräte od. dgl., verwendet werden. Er kann beispielsweise auch lackiert oder furniert sein.

Ausführungsbeispiel

Es wird eine Mischung aus 30% pulverförmigen Lignin, 20% pulverförmigem Polyethylen und 50% Hanffasern bei 170% verarbeitet und im Spritzgießverfahren bei 1500 bar ausgeformt. Der spritzgegossene Formkörper weist gegenüber einem reinen Lignin-Faser-Compound eine erhöhte Schlagzähigkeit und gegenüber reinen Polyethylenformteilen eine erhöhte UV-Stabilität auf. Die Schlagzähigkeit erhöht sich von 2 bis 5 kJ/mm auf 5 bis 30 kJ/mm². Zugleich sinkt zwar die Steifigkeit gegenüber reinen Lignin-Compounds von ca. 4000 bis 7000 N/qmm² auf ca. 2000 bis 4000 N/mm², doch reicht diese Steifigkeit für viele technische Anwendungen aus.

Claims (12)

1. Kunststoff-Werkstoff aus einem Polymer-Blend, beste­ hend aus wenigstens einem synthetischen und wenig­ stens einem natürlichen Polymer auf der Basis von Lignin.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lignin Alkali-Lignin ist.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sein Ligninanteil 2 bis 90 Mass.-%, insbesondere 5 bis 65 Mass.-% beträgt.

4. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er synthetische Verstärkungsfa­ sern enthält.

5. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er natürliche Verstärkungsfasern enthält.

6. Verwendung eines Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Ersatz für Holz- oder Holzwerkstoffe.

7. Verwendung eines Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von konstruktiven Profilen.

8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7 zur Herstellung von Profilen für Fensterrahmen.

9. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7 zur Herstellung von Türen, insbesondere Türverkleidungen.

10. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7 zur Herstellung von Möbeln, insbesondere Gartenmöbeln.

11. Verwendung nach Anspruch 6 bis 7, zur Herstellung von Gehäusen.

12. Verwendung nach Anspruch 11, zur Herstellung von Gehäusen für elektrische oder elektronische Geräte.